1.1 Mise en contexte
L‘eau c‘est la vie, comme l‘a dit Le Saint Coran dans Sourate 21; Verset 30 : "…et nous avons fait de l'eau toute chose vivante…". Malheureusement, elle l‘est aussi pour les micro-organismes pathogènes où ils peuvent se reproduire ou se déplacer causant alors diverses maladies et épidémies d‘origine hydrique.
L‘homme devient plus sensible aux problèmes de l‘eau. Il veut une vie saine et moderne où toute utilisation accrue des capacités des milieux aquatiques devrait être offerte. Ce qui pousse les chercheurs à mettre en place une méthodologie permettant un suivi permanent de la qualité des eaux, surtout celles affectées par les activités anthropogènes.
Durant plusieurs décennies, des efforts considérables ont été entrepris dans le domaine de l‘assainissement urbain par la construction de réseaux unitaires et séparés et de stations d‘épuration des eaux usées. Malheureusement, si le problème a été en très grande partie résolu, il subsiste autant en temps de pluie qu‘en temps sec. D‘une part, lorsque la capacité d‘interception et de traitement des eaux unitaires est limitée lors d‘évènements pluvieux importants ou lors d‘importantes fontes de neige, il s‘en suit des déversements qui ont des impacts importants sur le milieu naturel. D‘autre part, lorsque les égouts sanitaires déversent les eaux usées dans le réseau pluvial par des mauvais raccordements. L‘eau usée déversée ainsi dans le réseau pluvial séparé s‘achemine sans traitement aux milieux aquatiques contribuant grandement à la dégradation de la qualité de l‘eau. Les contaminations d‘origine urbaine sont donc principalement représentées par les surverses des systèmes d‘égouts unitaires et les eaux usées des habitats dont l‘assainissement n‘est pas conforme ou raccordé aux collecteurs pluviaux séparés. La maîtrise du risque sanitaire des eaux lié à ces apports représente donc un enjeu majeur pour les municipalités tout en prenant compte des aspects relatifs au développement économique et écologique.
Un aspect important de qualité du milieu aquatique est la qualité microbiologique des eaux de surface. Celle-ci est soumise à de grandes variations quel que soit le lieu donné. Les événements transitoires qui sont responsables de ces variations sont souvent difficiles à expliquer par la surveillance régulière. C‘est le cas des bassins versants urbains complexes où il peut y avoir des
sources ponctuelles et diffuses très variables, certaines continues, d‘autres irrégulières, chacune avec un temps de parcours différent jusqu‘au point d‘échantillonnage.
L‘origine humaine ou animale de la contamination fécale, une fois déterminée, constituerait une partie importante de la gestion de la qualité de l‘eau réceptrice et permettrait de mettre en place des actions correctives ciblées et économiques à but écologique (Edge & Schaefer, 2006). Les coliformes totaux, les coliformes fécaux et les entérocoques ont été historiquement adoptés en tant qu‘indicateurs de contamination fécale pour évaluer la qualité microbiologique des eaux de recréation, surveiller sa dégradation et prévenir le risque d‘exposition aux pathogènes (Santé Canada, 2009). Toutefois, ces microorganismes indicateurs sont présents à la fois dans les matières fécales humaines et animales et même dans l‘environnement, avec des taux de survie différents de ceux des autres pathogènes. Leur détection dans les eaux peut conduire à une surestimation de la contamination fécale. Par contre, ces indicateurs peuvent devenir non cultivables, ce qui conduit à une sous-estimation de la contamination fécale par les méthodes analytiques classiques basées sur la culture. Dans les deux cas, les répercussions économiques et sanitaires sont négatives (Alhamlan et al., 2015; Sercu et al., 2009). Notons entre autres, des toxi- infections alimentaires collectives lors de la consommation des fruits de mer (Le Guyader et al., 2010) ou des aliments produits avec de l‘eau contaminée (Munro et al., 2012), des maladies intestinales, cutanées, ou pulmonaires par contact ou ingestion d‘eau (Hlavsa et al., 2011) et des fermetures ou déclassements de zones de baignade (Réseau de suivi du milieu aquatique. Ville de Montréal, 2014). Des recherches avancées étudient l'opportunité de se fier principalement ou exclusivement sur les indicateurs microbiologiques spécifiques, génétiques et/ou chimiques de la contamination fécale de l‘eau afin d‘évaluer la qualité microbiologique de l‘eau, d‘identifier les sources de contamination et de sélectionner les procédés de traitement convenables (Glassmeyer et al., 2005; Haack et al., 2009; Young et al., 2008a).
Le travail présenté ici s‘inscrit dans ce contexte très général puisqu‘il porte sur les méthodologies d‘analyse des parties dissoutes et particulaires des indicateurs chimiques dans les cours d‘eau urbains et les trop-pleins (Chapitre 4), la dynamique de ces indicateurs dans les trop-pleins (Chapitre 5) et le dépistage de raccordements inversés dans des bassins versants urbains par la combinaison des indicateurs microbiologiques, génétiques et chimiques (Chapitre 6). Il répond alors à quatre questions majeures :
Est-ce que l‘analyse des indicateurs chimiques à usage humain dans le compartiment solide (sédiment) des cours d‘eau contaminés apporte des informations plus performantes sur l‘ampleur de la contamination fécale plutôt que l‘analyse du compartiment liquide (eau) ?
Quel est le rôle potentiel que les sédiments peuvent jouer dans le devenir des indicateurs chimiques dans les réseaux d‘égouts unitaires ?
Est-il possible de différencier l‘origine des contaminations en zone urbaine et tout particulièrement dans les réseaux d‘égouts unitaires et séparés ?
Existe-t-il une relation entre les indicateurs classiques de contamination et les indicateurs alternatifs spécifiques (les indicateurs chimiques, les marqueurs Bacteroidales et les marqueurs des ADN des mitochondries) ?
L‘objectif à long terme de ce travail était de développer un indice de contamination sanitaire dans un milieu naturel récepteur tel que les cours d‘eau urbains et les réseaux d‘égouts, afin d‘aider les municipalités à prioriser les secteurs les plus contaminés par des surverses ou des raccordements inversés. De plus, ce nouvel indice impose aux communes de définir des profils de vulnérabilité pour chaque bassin versant étudié. Ces profils consistent en un recensement et une hiérarchisation des sources potentielles de contaminations fécales des eaux.
Pour les travaux expérimentaux nécessaires au développement de l‘indice, nous avons choisi comme sites d‘étude les ruisseaux US1 et US2 et la rivière US3, des trop-pleins dans le bassin
versant de la rivière US3, un canal d‘eau potable ainsi que des collecteurs pluviaux dans deux
bassins versants (MEA et DEN) des ruisseaux urbains US2 et US4 respectivement. Nous avons,
par ailleurs, choisi de porter notre attention sur des indicateurs particuliers des sources de contamination fécale, les indicateurs microbiologiques traditionnels (les coliformes fécaux et les
Escherichia coli) et les indicateurs alternatifs chimiques (carbamazépine, caféine, théophylline,
acétaminophène, etc.) et génétiques (marqueurs ciblant les Bacteroidales et les ADN des mitochondries des cellules eucaryotes de PCR en temps réel) car ils sont aujourd‘hui considérés comme les meilleurs indicateurs alternatifs de contamination fécale des eaux qui ne sont jamais préalablement combinés ensemble dans une seule étude. Ils sont sensibles et spécifiques et persistent dans l‘environnement suffisamment longtemps pour permettre leur détection et l‘identification de l‘origine de la pollution au niveau des eaux urbaines.
1.2 Structure de la thèse
Cette thèse est divisée en plusieurs chapitres qui correspondent à l‘évolution des questionnements et des approches choisies pour dépister les sources de contamination fécale dans les cours d‘eau urbains et bâtir des listes de marqueurs alternatifs. Il s‘agit d‘une thèse par articles :
Le Chapitre 1 introductif est dédié à la présentation du contexte, de la problématique de la thèse et présente son organisation. Le Chapitre 2 est consacré à la présentation d‘une synthèse des données bibliographiques. Le Chapitre 3 présente les objectifs de recherche ainsi que la démarche expérimentale. Les Chapitres 4, 5 et 6 présentent l‘essentiel des résultats de la recherche sous forme de trois publications scientifiques couvrant le développement et l‘optimisation d‘une méthode analysant des indicateurs chimiques dans les sédiments, la répartition de certains de ces indicateurs entre les deux compartiments solide et liquide et finalement, leur utilisation avec d‘autres indicateurs traditionnels et alternatifs (moléculaires) afin de dépister les sources de contamination fécale humaine dans des bassins versants aux réseaux d‘égouts séparés. Enfin, le Chapitre 7 offre une synthèse des travaux ainsi qu‘une discussion générale pour finalement, mener à la conclusion et aux recommandations au Chapitre 8.